High value chemicals from lignin using biological processes
- Reference number
- RBP14-0052
- Start and end dates
- 150101-201231
- Amount granted
- 26 005 788 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Lignin is a multifaceted aromatic polymer that represents a substantial fraction of lignocellulosic biomass – i.e wood and agricultural waste. However, due to lignin complexity, most of the developing biorefinery concepts focus on the carbohydrates present in lignocellulosic biomass as the major substrates, while lignin is mostly considered as a fuel to provide process steam or for external heat or electricity generation. The present project aims at demonstrating that lignin can be upgraded to high-value chemicals with the help of tailor-made microbial hosts and processes. To reach this goal, we will isolate and characterize lignin degrading microorganisms and enzymes from Nature (Task 1). The generated database of lignin-associated metabolism and enzymes will be used as a base for identifying and implementing efficient strategies for transforming lignin mono- and/or oligomers into acetyl-CoA-derived chemicals using metabolic and process engineering methods (Task 2). These tasks will also require designing customized lignin depolymerisation (Task 3) and analytical methods (Task 4). A game changing effect on profitability of biorefineries, by allowing a high-value output from lignin, is expected as an outcome of the project. From a more fundamental point of view, the project will also advance the field of lignin research on depolymerisation, microbial metabolism chemical characterization and synthetic biology applied to lignin upgrading.
Popular science description
En omställning till ökad produktion från förnybara råvaror, kräver en omfattande utveckling av ny teknik för att nå effektivt utnyttjande av råvaran och minimera energiåtgång och förluster. Lignocellulosa, i form av olika typer av växtmaterial, är vår största förnybara biomassa. Lignocellulosa består huvudsakligen av de tre polymera fraktionerna cellulosa, hemicellulosa och lignin, och stora insatser görs idag för att få fram ny teknik och nya produkter från lignocellulosa. Ofta används termen "bioraffinaderi" för processkoncept där många olika produkter produceras samtidigt från biomassan. Svensk skogsindustri är på väg in i en genomgripande förändring, orsakad av konkurrensskäl, men också av grundläggande förändringar i marknadens behov – inte minst av papper. Nya tillämpningar är därför intressant. I de flesta bioraffinaderikoncept ligger fokus på utnyttjande av kolhydratdelen, dvs cellulosan och hemicellulosan, medan ligninet används som bränsle enbart. Det finns en stor potential för användning av lignin som råvara till andra produkter. Det innebär samtidigt en stor utmaning att lyckas med detta, eftersom det är svårt att kontrollerat omvandla ligninet till enklare föreningar, och även svårt att kemiskt karakterisera lignin. I detta projekt avser vi att undersöka nya möjligheter att komma runt problemet genom att använda en kombination av en termokemisk behandling - som delvis depolymeriserar ligninet - och en biologisk omvandling av ligninfragment till nya produkter. Strategin är att utveckla en mikrobiell produktionsorganism, en jästsvamp, som förmår omvandla en stor del av ligninfragmenten till föreningen Acetyl-CoA, vilken är en central förening i metabolismen. Från acetyl-CoA grenar många olika mikrobiella produktvägar ut sig med t.ex. möjliga slutprodukter som isoprenoider eller lipider. Målet för detta projekt är att ta fram en process för partiell depolymerisering av lignin, och att utveckla en "plattformsorganism" som kan omvandla ligninfragment till Acetyl-CoA. Denna kan senare specialdesignas för olika produkter. Projektet innebär omfattande och nydanande arbeten inom såväl analytiska metoder för lignin, bioteknik och processteknik, och bygger på ett nära samarbete mellan mikrobiologer, molekylärbiologer, analytiska kemister och kemitekniker vid Lunds universitet. De doktorander och post-doktorer som forskar och utbildas i projektet, kommer att utgöra en viktig resurs för industriell implementering av resultaten.